Жидкостные ракетные двигатели (стр. 5 )

-А. Перспективное в принципе использование ядерных ракетных двигателей сдерживается в настоящее время их массовыми характеристиками, а также

сложностями, связанными с обеспечением радиационной безопасности и отво-з:ч тепла от активной зоны после выключения двигателя, вследствие остаточ-ного тепловыделения радиоизотопов — продуктов цепной реакции деления. Несомненно, что ЖРТ останутся основным энергетическим источником для ракетных двигателей различного назначения на ближайшие десятилетия.

В ракетных двигателях на химическом топливе выделение энергии происходит за счёт следующих химических реакций:

а)        реакции окисления—восстановления (окисления), когда энергия вы­
деляется при реакции между окислительными и горючими элементами; топли­
во состоит в этом случае по крайней мере из двух веществ — окислителя и го­
рючего;

б)        реакции разложения, когда тепло выделяется в процессе разложе-
ния сложного вещества на более простые; топливо в этом случае может состо­
ять только из одного вещества;

в)        реакции рекомбинации (соединения), когда тепло выделяется при
соединении одноименных атомов или радикалов в молекулы.

Окислитель и горючее в общем случае являются сложными соедине-ниями. в состав которых могут входить как окислительные, так и горючие эле­менты, а также нейтральные.

Горючим является такое вещество, которое независимо от того, содер­жатся в нем окислительные элементы или нет, для полного окисления своих горючих элементов требует окислителя извне. Так, например, этиловый спирт С2 Н5 ОН, кроме горючих элементов (С и Н), содержит в себе и окислительный элемент — кислород, но его совершенно недостаточно для полного окисления горючих элементов спирта; поэтому этиловый спирт является горючим.

Окислителем является вещество, в котором хотя и могут быть горючие элементы, но окисляющих элементов в нем имеется значительный избыток, так что при полном окислении его собственных горючих элементов остается сво-5одное количество окислительных элементов, которые могут быть использова-ля окисления какого-либо другого горючего. Например, азотная кислота HNO3 или перекись водорода Н2 02 содержат в себе горючий элемент — водород, однако окислительный элемент (кислород) в них имеется в таком ко­личестве, что при полном окислении водорода азотной кислоты или перекиси водорода в них остается избыток кислорода, который можно использовать для

окисления какого-либо горючего; поэтому HN03 и Н202 являются окислите­лями.

К горючим элементам относятся углерод С, водород Н, бор В, алюми­ний А1, литий Li и другие. Окислительными элементами являются фтор F, ки­слород О, хлор О. Фтор и кислород значительно превосходят по эффективно­сти другие окислительные элементы.

Доли окислителя и горючего в топливе определяются величиной, на­зываемой соотношением компонентов. Теоретическим (стехиометрическим) соотношением компонентовназывается такое минимальное количество окис­лителя, которое необходимо для полного окисления 1 кг горючего. Иначе гово­ря, теоретическое соотношение компонентов, это такое отношение расходов окислителя и горючего, при котором окислитель полностью окисляет горю­чее, не оставаясь при этом в избытке.

Действительным соотношением компонентов  называется дейст-

вительное отношение расходов окислителя и горючего, подаваемых в камеру, которое может отличаться от теоретического. Обычно

Отношениеназывается коэффициентом избытка окислителя.

Коэффициент избытка окислителя, при котором получается максимальная ве­личина удельного импульса, называется оптимальным.

На рис.26 представлена классификация жидкостных ракетных топлив, а в таблице 1 - их основные параметры и области применения.

Тип топлива	Характер воспламе­нения					Область приме­нения
	Катали­затор	-	1440	1250	1900	Рабочее тело для турбины
	Катали­затор	-	1000	1475	2200	Рабочее тело для турбины или вспомогательно­го ЖРД
	Самовосп.	3,0 5	1180	3415	2770	Маршевые дви­гатели РН типа «Про­тон»
	Несамовосп.	2,7	1020	3690	2930	Маршевые дви­гатели РН «Со­юз» и 1-ой сту­пени «Энергия»
	Самовоспл.	3,0	1270	3165	2680	Маршевые дви­гатели ракет и малых РН
	Самовоспл.	15, 0	670	4760	3970	Опытные образ­цы сверхмощных РН
	Несамо-воспл.	6,0	350	3420	3790	Маршевые дви­гатели верхних ступеней РН

Топлива ракетных двигателей могут быть разделены на следующие: жидкие топлива раздельной подачи (многокомпонентные) и жидкие унитарные (однокомпонентные) топлива.

В случае жидкого топлива раздельной подачи выделение энергии про-исходит в результате реакции окисления — восстановления. Процесс окисле-ния условно может быть представлен как обмен электронами на внешней элек-тронной оболочке атомов, участвующих в этом процессе. При этом атомы горючих элементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретают их.

Унитарным (однокомпонентным) топливом может быть такое индиви-дуальное вещество или такая заранее приготовленная смесь веществ, которые при определенных условиях выделяют тепло в результате химических реак-ций разложения или окисления; в последнем случае все необходимые для окис-

ементы находятся в самом унитарном топливе. Несомненным преиму-ществом унитарных жидких топлив перед жидкими тонливами раздельной подачи является большая простота конструкции двигателей, использующих эти топлива, так как при этом требуется лишь одна линия системы подачи.

Однако жидкие унитарные топлива не нашли широкого применения в

ЖРД и используются главным образом для вспомогательных целей, например,

для привода турбин  турбонасосных агрегатов, а также для вспомогательных

двигателей малых тяг, предназначенных для ориентации и стабилизации лета-

тельного аппарата. Это объясняется тем, что приемлемые по своим эксплуата-

ционным свойствам жидкие унитарные топлива обладают меньшей эффектив­ностью в сравнении с широко используемыми топливами раздельной подачи. Известны унитарные жидкие топлива, обладающие сравнительно высокой эф­фективностью, но они неприемлемы для эксплуатации, в основном из-за боль­шой склонности к взрыву.

Несмотря на заметное упрощение системы питания однокомпонентные ЖРТ, как мономолекулярные, так и смесевые, широкого распространения в ракетной технике не получили вследствие относительно низких энергетических характеристик и взрывоопасности.

Жидкие топлива раздельной подачи находят самое широкое примене­ние, так как они обеспечивают двигателю достаточно высокие удельные пара­метры при сравнительно  приемлемых эксплуатационных свойствах.

Многокомпонентные гетерогенные топлива включают в себя высоко­энергетические пары типа 02 +Ве, О3+Ве, F2+Li и водород в качестве разбави­теля. Металл в порошкообразном состоянии может находиться в горючем и смесь при необходимости может быть подана в камеру центробежным насосом. Обычно в состав гетерогенных топлив включается полимерное горючее - связ­ка, предотвращающее вынос из камеры несгоревшего порошкообразного горю­чего.

Топлива, имеющие температуру кипения при Рн=101325 Па более 293 К называются высококипящими, а менее 120 К - низкокипящими (криогенны­ми). К последним относятся 02,ж, Н2,Ж, F2,ж и они заправляются в ракету, как правило, непосредственно перед пуском.

Топлива раздельной подачи могут быть самовоспламеняющимися и не­самовоспламеняющимися. К первым относятся такие топлива, воспламенение которых начинается самопроизвольно при контакте окислителя и горючего в условиях, имеющихся в камере при запуске, без какого-либо дополнительного вмешательства. Несамовоспламеняющиеся топлива для первичного воспламе­нения (при запуске двигателя) требуют средства зажигания.